JP4934988B2 - 積層型圧電体素子及び、これを用いたインジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、動作信頼性の高い積層型圧電体素子及び、この積層型圧電体素子を利用した燃料噴射用のインジェクタに関する。

従来より、例えば、積層型圧電体素子としては、層状の内部電極が圧電層の全面を覆う構造を呈する全面電極構造のものと、内部電極が圧電層を覆わない部分を残す構造である部分電極構造のものがある。一般に、全面電極構造の積層型圧電体素子では、部分電極構造のものよりも変位が得られやすく、内部電極の端部に応力が集中するおそれも少ない。そのため、全面電極構造を採用すると、高い変位特性を有し、かつ、信頼性の高い積層型圧電体素子を実現できる。

一方、全面電極構造の場合には、積層型圧電体素子の側面全面に、層状の内部電極の外周端部が露出する。そのため、この全面電極構造の積層型圧電体素子では、各内部電極について、一方の側面電極との電気的な接触を確保する一方で、他方の側面電極との電気的な絶縁構造が必要になる。このような積層型圧電体素子について圧電変位が繰り返されると、上記の側面電極と内部電極との間の絶縁構造に大きな応力が繰り返し作用する。そのため、上記絶縁構造では、内部電極と側面電極との間の絶縁性を長期間の使用に渡って維持させるための構造上の工夫が必要になる。従来、例えば、積層型圧電体素子の側面に溝を設けてその溝に絶縁樹脂を充填する絶縁構造が提案されている（例えば、特許文献１〜５）。

特開２００１−６９７７１号公報 特開２００１−１０２６４７号公報 特開２００２−１１１０８８号公報 特開２００１−２４４５１３号公報 特開２００１−７７４３６号公報

しかしながら、上記従来の絶縁構造では次のような問題がある。すなわち、上記積層型圧電体素子が長期間に渡って使用されると、上記側面電極がセラミック積層体の側面から剥離し、内部電極との電気的な接続が十分でなくなる等、電気的なトラブルを発生するおそれがあるという問題がある。そして、このような電気的なトラブル等により、上記積層型圧電体素子の動作信頼性及び耐久性が低下し、その製品寿命が短くなっていた。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、電気的な信頼性が高く、動作信頼性、耐久性に優れた積層型圧電体素子を提供しようとするものである。

第１の発明は、圧電材料よりなる複数の圧電層と、導電性を有する複数の層状の内部電極とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に第１側面電極及び第２側面電極が設けられ、上記内部電極としては、上記第１側面電極に導通する第１内部電極と、上記第２側面電極に導通する第２内部電極とを交互に配置してなる積層型圧電体素子において、
上記セラミック積層体における上記第１側面電極を設けた側面には、底部に上記第２内部電極の端部を露出させた凹溝である第１凹溝部が設けられ、一方、上記第２側面電極を設けた側面には、底部に上記第１内部電極の端部を露出させた凹溝である第２凹溝部が設けられており、
上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部には、それぞれ上記第２内部電極の端部及び上記第１内部電極の端部を覆うように電気絶縁性を有する絶縁充填材が充填されており、
上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部に充填された上記絶縁充填材の外表面には、上記セラミック積層体の側面から内方に窪む凹面部が形成されており、
上記絶縁充填材の上記凹面部と、上記第１側面電極あるいは上記第２側面電極との間には、空隙を設けてあることを特徴とする積層型圧電体素子にある（請求項１）。

上記第１の発明の積層型圧電体素子は、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部に充填した上記絶縁充填材の外表面の少なくとも一部に、上記セラミック積層体の側面から内方に向けて窪む凹面部を有している。このように上記絶縁充填材の外表面に凹面部を設ければ、特に、上記セラミック積層体の側面から上記第１側面電極及び上記第２側面電極（以下、適宜、両者をあわせて単に側面電極という。）を剥離させるように作用する応力を効果的に抑制させることができる。

例えば、凹面部に接して側面電極を形成した場合には、熱膨張した上記絶縁充填材から上記側面電極に作用する応力を、上記凹面部の略円弧状を呈する断面形状の内側、つまり、円弧の中心方向に向けて作用させることができる。そして、この場合には、上記応力のうち、積層方向に沿って作用する成分は、上記側面電極内部で吸収される。一方、上記応力のうち、積層型圧電体素子の径方向に作用する成分は、上記側面電極と上記セラミック積層体の側面との間の接合面で、該接合面の法線方向の引っ張り方向に作用する。ここで、一般に、側面電極の接合強度は、接合面の法線方向の引っ張りの力に対して強固であるが、接合面に沿う方向に作用する剪断方向の力に対して弱い。それ故、上記のごとく、凹面部に接して側面電極を形成した場合には、側面電極に対して上記接合面に沿って作用するおそれがある剪断方向の力を、凹面部を設けたことで効果的に抑制できる。その結果、側面電極が剥離等するおそれを抑制できる。

さらに、例えば、絶縁充填材に凹面部を設けると共に、該凹面部の窪み部分と側面電極との間に隙間を設けることも良い。この場合にも、熱膨張した上記絶縁充填材から上記側面電極に作用する応力を抑制することができる。そして、上記絶縁充填材から上記側面電極に作用する応力自体を抑制すれば、該側面電極が剥離等するおそれを確実性高く抑制させることができる。

以上のように、上記第１の発明の積層型圧電体素子では、上記凹面部を設けたことで、セラミック積層体の側面から側面電極が剥離等するおそれが低減される。それ故、上記積層型圧電体素子では、第１（２）内部電極と第１（２）側面電極との電気的な接続を安定的に維持し得ると共に、第１（２）内部電極と第２（１）側面電極との電気的な絶縁性を長期間に渡って信頼性高く維持し得る。

したがって、上記第１の発明の積層型圧電体素子は、各側面電極がセラミック積層体の側面から剥離するおそれが効果的に抑制され、動作信頼性及び耐久性を格段に高めたものとなる。

第２の発明は、圧電アクチュエータの変位を利用して弁体を開閉させ、燃料の噴射制御を行うよう構成されたインジェクタにおいて、
上記圧電アクチュエータは、上記第１の発明の積層型圧電体素子よりなることを特徴とするインジェクタにある（請求項９）。

上記第２の発明のインジェクタは、上記の優れた品質の積層型圧電体素子を用いて構成した圧電アクチュエータを用いている。この積層型圧電体素子は、上記セラミック積層体の側面に上記側面電極を耐久性高く接合したものである。そのため、高温雰囲気下という過酷な状態で使用されるインジェクタにおいても、作動時の各側面電極の剥離等の発生を抑制して耐久性を向上でき、インジェクタ全体の動作信頼性の向上を図ることができる。

上記第１の発明においては、上記凹面部は、積層型圧電体素子に許容される温度範囲内の最高温度下で、その窪み形状を維持するように形成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、許容温度範囲の全域に渡って、上記絶縁充填材の凹面部の窪み形状を維持することで、上記各側面電極が上記セラミック積層体の側面から剥離等するおそれを確実性高く抑制できる。それ故、上記積層型圧電体素子の動作信頼性、耐久性をさらに向上することができる。

また、上記圧電層の線膨張係数と、上記絶縁充填材の線膨張係数との差が、２０ｐｐｍ／℃以上３００ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい（請求項３）。
上記圧電層と上記絶縁充填材との間で、線膨張係数の差が上記の範囲にある場合には、熱膨張した上記絶縁充填材の変形度合いが大きくなる。そのため、この絶縁性充填材から側面電極に作用する応力が大きくなるおそれがある。それ故、この場合には、上記側面電極が上記セラミック積層体の側面から剥離等するおそれを抑制できるという上記第１の発明の作用効果が特に有効となる。

また、上記絶縁充填材は、シリコン又は、ポリイミド又は、エポキシ又は、ウレタンの少なくともいずれかを含むものであることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記絶縁充填材を用いて上記積層型圧電体素子の電気的な絶縁信頼性を高めることができる。それ故、上記積層型圧電体素子全体の電気的な信頼性を一層、向上することができる。

また、上記第１側面電極及び上記第２側面電極は、Ｓｎ−Ａｇペーストよりなることが好ましい（請求項５）。
Ｓｎ−Ａｇペーストは、内部電極と金属的な接合をするため導電性は良好であるが、上記積層型圧電体素子との密着性が低い。そのため、溝部の絶縁樹脂の熱膨張による剥がれに対しては、他の導電材料と比べて弱いおそれがある。したがって、上記各側面電極としてＳｎ−Ａｇペーストを適用する場合には、上記第１の発明の作用効果が特に有効となる。なお、Ｓｎ−Ａｇペーストに代えて、樹脂材料にＡｇを含有させた樹脂銀や、はんだ等により上記側面電極を形成することもできる。

また、上記絶縁充填材の上記凹面部と、上記第１側面電極あるいは上記第２側面電極との間には、空隙を設けてある。
この場合には、上記凹面部と上記各側面電極との間に設けた空隙により、熱膨張した絶縁充填材から各側面電極に作用する応力を効果的に抑制できる。それ故、上記積層型圧電体素子では、上記セラミック積層体の側面から上記各側面電極が剥離等するおそれをさらに抑制できる。

また、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の幅は、５μｍ以上１５０μｍ以下であり、上記凹面部の窪み深さは、２μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記各凹溝部の幅に対して、上記凹面部の窪み深さを上記の範囲に設定すれば、広範な温度範囲において上記凹面部の窪み形状を維持させることができる。それ故、上記積層型圧電体素子は、使用可能な温度範囲が広く、耐熱性、耐久性等に優れたものとなる。

また、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の溝深さは、１０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい（請求項７）。
この場合には、圧電層を覆う内部電極の有効電極面積の減少が少なく、積層型圧電体素子の良好な変位特性を十分に維持することができる。なお、上記溝深さが４００μｍを超えると変位特性への影響が顕在化するおそれがある。一方、上記溝深さが１０μｍ未満であると絶縁充填材による電気的な絶縁を十分に確保できなくなるおそれがある。

また、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部に充填された上記絶縁充填材の外表面には、上記凹面部が形成されていない非凹面部が存在しており、上記各第１凹溝部及び上記各第２凹溝部における、全長をＡ、上記非凹面部の部分の長さをＢとした場合、（Ａ−Ｂ）／Ａが０．３以上であることが好ましい（請求項８）。
即ち、上記凹面部は、上記絶縁充填材の外表面の全ての部分において形成されている必要はなく、一部において上記凹面部が形成されていない部分、つまり、上記非凹面部が形成されていてもよい。

上記（Ａ−Ｂ）／Ａが０．３未満の場合には、上記セラミック積層体の側面から上記各側面電極が剥離等するおそれを抑制する効果を充分に得ることができないおそれがある。それ故に、より好ましくは、上記（Ａ−Ｂ）／Ａが０．６以上である。
なお、上記の全長Ａは、上記各第１凹溝部及び上記各第２凹溝部の個々の長さによって決まるものである。

（参考例１）
本例は、圧電効果を奏する積層型圧電体素子１に関する例である。この内容について図１〜図１９を用いて説明する。
本例の積層型圧電体素子１は、図１に示すごとく、圧電材料よりなる複数の圧電層１１と、導電性を有する複数の層状の内部電極２１、２２とを交互に積層してなるセラミック積層体１０を有し、該セラミック積層体１０の側面１０１、１０２に第１側面電極３１及び第２側面電極３２を設けたものである。内部電極２１、２２としては、第１側面電極３１に導通する第１内部電極（以下、適宜第１内部電極２１と記載する。）と、第２側面電極３２に導通する第２内部電極（以下、適宜第２内部電極２２と記載する。）とを交互に配置してある。
上記セラミック積層体１０における第１側面電極３１を設けた側面１０１には、底部４１０に第２内部電極２２の端部を露出させた凹溝である第１凹溝部４１が設けられ、一方、第２側面電極３２を設けた側面１０２には、底部４２０に第１内部電極２１の端部を露出させた凹溝である第２凹溝部４２が設けられている。
そして、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２には、図２に示すごとく、それぞれ第２内部電極２２の端部及び第１内部電極２１の端部を覆うように電気絶縁性を有する絶縁充填材５が充填されている。ここで、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２に充填された絶縁充填材５の外表面には、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から内方に窪む凹面部５０が形成されている。
以下に、この内容について詳しく説明する。

本例の積層型圧電体素子１は、図１に示すごとく、印加電圧に応じて伸縮する圧電層１１と印加電圧供給用の内部電極２１、２２とを交互に積層構成した八角柱形状のセラミック積層体１０を有している。そして、その側面のうち一対の側面１０１、１０２には、上記第１側面電極３１、第２側面電極３２をそれぞれ設け、さらにこれらには外部電極接続用のリード線７が接続されている。なお、本例では、セラミック積層体１０の積層方向の上端と下端には、圧電効果を生じないダミー層１８、１９を設けてある。積層体形状は、上記以外にも円柱、３角柱、４角柱等でもいい。又、側面電極３１、３２は向き合っている必要はない。更に、リード線７は積層体上部のみでなく、下部まであってもいい。

第１内部電極２１は、図１及び図２に示すごとく、側面１０１にその端部を露出させ、第１側面電極３１と電気的に接触している。一方、側面１０１に対向する側面１０２では、第１内部電極２１は、第２凹溝部４２の底部４２０に露出し、この第２凹溝部４２に充填した絶縁充填材５によって覆われている。そして、この絶縁充填材５の外方には、上記第２側面電極３２を配設してある。

同様に、第２内部電極２２は、側面１０２にその端部を露出させ、第２側面電極３２と電気的に接触している。一方、側面１０２に対向する側面１０１では、第２内部電極２２は、第１凹溝部４１の底部４１０に露出し、この第１凹溝部４１に充填した絶縁充填材５によって覆われている。そして、この絶縁充填材５の外方には、上記第１側面電極３１を配設してある。

また、各第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２は、図２及び図９に示すごとく、その底部４１０、４２０がなす底面が、側面１０１、１０２と略平行となるよう設けられ、その溝深さＤは約１００μｍである。また、各第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の溝幅Ｗは約７０μｍとし、厚みＬ＝８０μｍである圧電層１１の約９０％の厚みとした。なお、本例の第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２は、断面略矩形状を呈している。

そして、各第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２には、上記のごとく、絶縁充填材５を充填してある。本例では、絶縁充填材５としては、材質ポリイミドよりなる樹脂材料を溶剤としてのγ−ブチルラクトンに溶解させたものを用いた。本例では、１００重量％の絶縁充填材５中の溶剤であるγ−ブチルラクトンの含有比率を５０重量％とした。なお、絶縁充填材５を構成する樹脂材料としては、本例のポリイミドのほか、エポキシ、シリコン、ウレタン等を用いることもできる。また、絶縁充填材５を構成する溶剤としては、本例のγ−ブチルラクトンのほか、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、酢酸ブチル、ブチルセルソルブ等を用いることもできる。

ここで、本例では、図２に示すごとく、各凹溝部４１、４２に充填した絶縁充填材５の外表面（セラミック積層体１０の外周側に面する表面）に、凹面部５０を形成してある。本例では、各凹溝部４１、４２の積層方向の溝幅Ｗ＝７０μｍに対して、凹面部５０の深さＤｐ＝２０μｍとしてある。なお、本例の凹面部５０の深さＤｐ＝２０μｍは、積層型圧電体素子１の最高許容温度である１６０℃まで絶縁充填材５が加熱され、熱膨張したとしても、凹面部５０の窪み形状がある程度維持（Ｄｐ＞０の状態。）できるように設定した値である。

また、上記第１側面電極３１及び第２側面電極３２は、各側面１０１、１０２に塗付したＳｎ−Ａｇペーストを加熱して形成した。Ｓｎ−Ａｇペーストよりなる側面電極３１、３２は、接合力と柔軟性とが両立されており、変位特性を低下させることなく耐久性を向上することができる。なお、側面電極３１、３２としては、電気絶縁性を有する樹脂材料中に導電性材料を含有させてなる導電性樹脂層より構成することも良い。例えば、材質エポキシ、シリコン、ポリイミド、ウレタン等を樹脂材料として用い、導電性材料として銀、Ｎｉ、銅等を含有させることができる。その他、側面電極３１、３２としては、はんだ等により形成することもできる。
また、側面電極３１、３２としては、２つの材料を積層して形成しても良い。例えば、図３に示すごとく、Ｓｎ−Ａｇペーストよりなる第１の側面電極層３１ａ、３２ａの表面に、銀フィラー添加のエポキシ樹脂よりなる第２の側面電極層３１ｂ、３２ｂを形成することができる。

次に、上記構成の積層型圧電体素子１の製造方法につき簡単に説明する。
まず、圧電材料となるセラミックグリーンシートを焼成して上記圧電層１１を得る圧電層焼成工程を行う。
本例では、上記圧電層１１としてＰＺＴを採用すべく、次のようにグリーンシートを作製した。まず、圧電材料の主原料となる酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、炭酸ストロンチウム等の粉末を所望の組成となるように秤量する。また、鉛の蒸発を考慮して、上記混合比組成の化学量論比よりも１〜２％リッチになるように調合する。これを混合機にて乾式混合し、その後８００〜９５０℃で仮焼する。

次いで、仮焼粉に純水、分散剤を加えてスラリーとし、パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合する。その後、このスラリーを真空装置内で撹拌機により撹拌しながら真空脱泡、粘度調整をする。

次いで、スラリーをドクターブレード装置により一定厚みのグリーンシートに成形する。回収したグリーンシートはプレス機で打ち抜くか、切断機により切断し、７ｍｍ角の四角形に成形した。なお、得ようとする積層型圧電体素子１の形状に応じて、四角形、楕円形、樽型などに成形することも勿論可能である。

次に、このグリーンシートを脱脂処理した後に、焼成して圧電層１１を得る。脱脂処理は、グリーンシートを電気炉により４００〜７００℃の温度に所定時間保持することにより行った。また、焼成処理は、グリーンシートを９００〜１２００℃の温度に所定時間保持して行った。このようにして、本例では厚みが８０μｍであり、主にＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃系のペロブスカイト構造の酸化物であるＰＺＴを焼成した圧電層１１を、１層ごとに別々に形成した。

次に、図４に示すごとく、得られた圧電層１１と、Ｃｕを含有する電極材料２０とを交互に積層してなる積層体を作製する積層体作製工程を行った。
本例では、上記電極材料２０として、純度９９．９％のＣｕよりなり、厚み５μｍの銅箔を用いた。また、銅箔の形状は、図４に示すごとく、７ｍｍ角の四角形とし、圧電層１１と同じにした。そして、圧電層１１と電極材料２０とを交互に積層し、圧電層１１の積層数が２５０層となるように積層体を作製した。また、この積層体の積層方向の上下端には、それぞれダミー層となる圧電層１１を配置した。

次に、上記積層体にその積層方向から約３ＭＰａの荷重を加えた状態で炉内に配置し、その炉内雰囲気を１×１０^-2Ｐａの真空度まで真空引きした後、炉内の圧力が１０Ｐａに維持されるよう不活性ガスとしてのＮ₂ガスを炉内に導入した。そして、温度９６０℃に１０分間保持することにより、上記電極材料２０よりなる内部電極２１、２２と圧電層１１とを接合する加熱接合工程を実施した。

これにより、図５に示すごとく、４つの側面１０１〜１０４を有し、これらの側面全面に端部を露出させた内部電極２１、２２を有する略四角柱形状のセラミック積層体１０を得る。
次に、図６に示すごとく、上記四角柱形状の角部を平面研削し、新たに４つの側面１０５〜１０８を設け、略八角柱形状のセラミック積層体１０を成形する。

次に、図７に示すごとく、セラミック積層体１０の側面１０１に露出した第２内部電極２２の端部に沿ってレーザを照射して溝加工を行い、第１凹溝部４１を形成した。また同様に、セラミック積層体１０の側面１０２に露出した第１内部電極２１の端部に沿ってレーザを照射して溝加工を行い、第２凹溝部４２を形成した。本例では、上記レーザとしてＣＯ₂レーザを用い、ガルバノ光学スキャナーを用いて走査しながら照射する方法を採用した。なお、この溝加工は、レーザ照射による加工に代えて、砥石による研削やショットブラスト等を利用して行うこともできる。なお、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の断面形状は、上述したごとく、溝深さＤ＝１００μｍ、溝幅Ｗ＝７０μｍ（図２参照。）とした。

次に、図８に示すごとく、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２内に、ディスペンサーを用いて絶縁充填材５を供給した後、真空引きすることにより、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２内に隙間なく絶縁充填材５を充填した。これ以外の充填方法としては、スクリーン印刷、メタルマスク印刷等も可能である。その後、絶縁充填材５に対し、温度２００℃に６０分間保持する加熱処理を加え、絶縁充填材５を熱硬化させた。

なお、本例では、硬化後の絶縁充填材５の表面に、深さＤｐ＝２０μｍの上記の凹面部５０（図２）を形成するように、凹溝部４１、４２に絶縁充填材５を充填した。本例では、硬化時に溶剤であるγ−ブチルラクトンが揮発し、約２０％の硬化収縮を生じるという本例の絶縁充填材５の特性を利用し、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２と、凹溝部４１、４２に充填した絶縁性充填材５の表面とが、略面一となるように硬化前の絶縁充填材５を充填した。これにより、凹溝部４１、４２に充填した絶縁充填材５の硬化収縮により、深さＤｐ＝２０μｍの凹面部５０を形成した。なお、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２からの窪み量であるＤｐを調整する方法としては、絶縁充填材５の充填時において、その充填量を調整する方法や、所定の充填量に対して絶縁充填材５中の溶剤の含有比率を調整する方法等がある。

次に、セラミック積層体の側面１０１、１０２に、Ｓｎ−Ａｇペーストを印刷（本例では、メタルマスク法により印刷。）し、その後、温度２６０℃、３ＭＰａ加圧の状態に、１２０分保持して熱硬化させた。これにより、図１及び図９に示すごとく、側面１０１においては第１側面電極３１と各第１内部電極２１との間の電気的導通を確保し、側面１０２においては第２側面電極３２と各第２内部電極２２との間の電気的導通を確保した。なお、側面電極３１、３２としては、本例のＳｎ−Ａｇペーストのほか、はんだ、銀フィラー添加のエポキシ樹脂等により形成することができる。そして、図１に示す本例の積層型圧電体素子は、銀フィラー添加のエポキシ樹脂を用いて、第１側面電極３１及び第２側面電極３２にリード線７を接合したものである。

次に、本例の積層型圧電体素子１における作用効果につき説明する。
本例の積層型圧電体素子１は、上記のごとく、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２に充填した絶縁充填材５における外表面に、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から内方に窪む凹面部５０を形成してある。特に、本例では、積層型圧電体素子１の最高許容温度である１６０℃下においても、上記凹面部５０がその窪み形状（Ｄｐ＞０である形状。）を維持するように構成してある。

ここで、絶縁充填材５が熱膨張すると、絶縁充填材５から第１側面電極３１又は第２側面電極３２に応力が作用する。一般に、側面電極３１、３２の接合強度は、接合面である側面１０１、１０２の法線方向の引っ張りの力に対して強固であるが、側面１０１、１０２に沿う方向に作用する剪断方向の力に対して弱い。

本例では、絶縁充填材５の外表面に凹面部５０を設けたことで、図１０に示すごとく、絶縁充填材５が初期状態（実線Ｌ１で示す状態。）から熱膨張した状態（破線Ｌ２で示す状態。）に変形したときに側面電極３１、３２に作用する応力は、図中、矢印で示すごとく凹面部５０の略円弧状を呈する断面形状の内側、つまり、円弧の中心方向に向けて作用する。そのため、上記応力のうち、積層方向に沿って作用する剪断方向の成分は、側面電極３１、３２内部で吸収される。一方、上記応力のうち、積層型圧電体素子１の径方向に作用する成分は、側面電極３１、３２とセラミック積層体１０の側面１０１、１０２との間の接合面で、該接合面の法線方向の引っ張り方向に作用する。

以上のように、本例の積層型圧電体素子１の絶縁充填材５では、その外表面に凹面部５０を設けたことにより、各側面電極３１、３２に対して側面１０１、１０２に沿って作用する剪断方向の力を抑制してある。それ故、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から側面電極３１、３２が剥離等するおそれが少ない。

ここで、比較のために、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２に対して絶縁充填材５の外表面を略面一に形成した場合に起こり得るトラブルについて説明する。図１１に示すごとく、絶縁充填材５の外表面をセラミック積層体１０の側面１０１、１０２と略面一にすると、絶縁充填材５が、熱膨張により、その初期状態（実線Ｌ１で示す状態。）から熱膨張した状態（破線Ｌ２で示す状態。）に変形すると、側面電極３１、３２に対して、図中矢印で示すごとく応力が作用する。すなわち、絶縁充填材５が熱膨張してなる凸状湾曲面（破線Ｌ２で示す面。）から放射方向に応力が作用する。ここでは、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２に沿って発生する剪断方向の成分が側面電極３１、３２の内部で吸収されない。そして、この剪断方向の成分の力が、側面電極３１、３２とセラミック積層体１０の側面１０１、１０２との接合面に直接、作用する。それ故、この場合には、長期間の使用に渡って、絶縁充填材５に冷熱サイクルが作用すると、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から側面電極３１、３２が剥離するおそれがある。

これに対して、本例の積層型圧電体素子１では、上述したように、側面電極３１、３２がセラミック積層体１０の側面１０１、１０２から剥離等するおそれが少ない。そのため、内部電極２１（２２）と側面電極３１（３２）との間の電気的な接続を安定的に維持し得ると共に、内部電極２１（２２）と側面電極３２（３１）との間の電気的な絶縁性を長期間に渡って信頼性高く維持し得る。
それ故、例えば、積層型圧電体素子１に冷熱サイクルを繰り返して付与しても、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２に形成した側面電極３１、３２が良好な状態に維持され得る。これにより、上記積層型圧電体素子１は、従来よりも、側面電極３１（３２）と内部電極２１（２２）との間の電気的な信頼性が高いものとなる。

さらに、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の溝幅Ｗを上記のごとく、圧電層１１の厚みＬの９０％に設定してある。そのため、積層型圧電体素子１の圧電変位に応じて絶縁充填材５に過大な内部応力等が発生するおそれを抑制でき、クラック、剥がれ等の不具合の抑制効果を一層、高めることができる。なお、内部電極としては、本例の銅に代えて、銀又は銀−パラジウム合金を含む内部電極を形成しても良い。

なお、凹面部５０の形成形状としては、本例の湾曲凹状のほか、三角形状（図１２）、台形状（図１３）等様々な形状とすることができる。さらに、凹面部５０は、積層方向の対称形状であっても、非対称形状（図１４、図１５）であっても良い。
また、凹溝部４１、４２の形成形状としては、本例の長方形状のほか、三角形状（図１６）、台形状（図１７）、多角形状（図１８）等様々な形状とすることができる。さらに、凹溝部４１、４２は、積層方向の対称形状であっても、非対称形状（図１９）であっても良い。

（参考例２）
本例は、参考例１の積層型圧電体素子１における各凹溝部の凹面部の深さＤｐを変更して、その耐久性を調べた例である。この内容について、図２０及び図２１を用いて説明する。
本例では、各積層型圧電体素子に対して、サイクル時間６０ｍｉｎ、−４０℃〜１６０℃の冷熱サイクルを５００サイクル実施した後の側面電極と内部電極との間の電気的な接触抵抗を測定した。

その結果を図２０に示す。同図では、横軸に凹面部の窪み量Ｄｐを規定し、縦軸に内部電極と側面電極との間の電気的な接触抵抗である抵抗値を規定してある。同図から知られるように、凹面部の窪み量Ｄｐがゼロを超えると、上記抵抗値が小さくなっている。すなわち、Ｄｐをゼロよりも大きくして絶縁充填材の表面に凹面部を設けることで、側面電極と内部電極との電気的な接触箇所の耐久性、信頼性を向上できる。特に、Ｄｐがゼロを超えて約４μｍまでの領域では、Ｄｐがゼロを超えて大きくなるにつれて、側面電極と内部電極との接触箇所の耐久性が向上するという効果が顕著である。そして、Ｄｐ＝約４μｍのところで変曲点Ａを迎え、Ｄｐ＝約４μｍ以上の領域では、Ｄｐを大きくしても、側面電極と内部電極との接触箇所の耐久性が累積的に高まるという効果が薄れている。

本例では、さらに、凹溝部の溝深さＤに対して、上記の変曲点Ａの位置がどのように変化するかを調べた。この結果を図２１に示す。同図では、凹溝部の溝深さＤを横軸に規定し、溝深さＤに対応する変曲点Ａの窪み量Ｄｐを縦軸に規定している。同図から知られるように、凹溝部の溝深さＤと変曲点Ａの窪み量Ｄｐとの関係は、Ｄｐ＝（５％／１００％）×Ｄを表す近似直線Ｂ（図中、破線で示す。）によって近似できる。したがって、凹面部の窪み量Ｄｐの大きさを、凹溝部の溝深さＤのおよそ５％以上に設定すれば、内部電極と側面電極との電気的な接触箇所の耐久性を高めるという作用効果を最大に近づけることができる。

一方、凹溝部の溝深さＤに対して凹面部の窪み量Ｄｐを過大にすると、内部電極の外周端部を覆う絶縁充填材の量が十分でなくなるおそれがある。それ故、内部電極と側面電極との電気的な接触箇所の耐久性を高めるという作用効果と、絶縁充填材により内部電極の外周端部を覆って電気的な絶縁性を確実にするという作用効果とを、高いレベルで両立するためには、凹面部の窪み量Ｄｐの大きさを、凹溝部の溝深さＤのおよそ５％以上９０％以下に設定するのが好ましい。
なお、その他の構成及び作用効果については参考例１と同様である。

（実施例１）
本例は、参考例１の積層型圧電体素子１を基にして、絶縁充填材と側面電極との間に隙間を設けた例である。この内容について、図２２及び図２３を用いて説明する。
本例では、図２２に示すごとく、側面電極３１（３２）におけるセラミック積層体１０側の当接面を略平坦に形成することで、絶縁充填材５の凹面部５０との間に隙間５０５を設けてある。

本例では、同図に示すごとく、セラミック積層体１０の側面１０１（１０２）に塗布するＳｎ−Ａｇペーストの粘性を高く設定することで、凹面部５０と側面電極３１（３２）との間に隙間５０５が形成されるようにした。すなわち、側面電極３１（３２）をなすＳｎ−Ａｇペーストの粘性を高くすると、絶縁充填材５の凹面部５０が形成する窪み内に入り込み難くなり、セラミック積層体１０の側面１０１（１０２）に沿って側面電極３１（３２）が形成される。これにより、凹面部５０と側面電極３１（３２）との間に隙間５０５を空けることができる。

なお、側面電極３１（３２）を形成する電極材料の粘性をコントロールして上記の隙間５０５を設ける方法に代えて、側面電極３１（３２）を形成する際の熱処理温度をコントロールして上記隙間５０５を形成することもできる。一般に、側面電極３１（３２）を形成するための電極材料は、加熱されると一旦、粘度が低下し、その後、粘度が上昇するという粘度特性を有している。そして、この粘度特性を積極的に活用できるように熱処理の際の加熱プロファイルを適宜、設定することにより電極材料が硬化する際の粘度を高くすれば、上記隙間５０５を形成することができる。
さらになお、凹溝部４１（４２）の溝形状及び、凹面部５０の形成形状については、参考例１と同様、様々な形状を採用することができる。

また、図２３には、本例の積層型圧電体素子について、参考例２と同様の冷熱サイクル試験を実施した結果を示している。すなわち、同図では、凹面部５０の隙間量Ｄｐと、冷熱サイクル後における側面電極３１（３２）と内部電極２１（２２）との電気的な接触抵抗の大きさとの関係を示す。同図では、縦軸に側面電極３１（３２）と内部電極２１（２２）との間の抵抗値を規定し、横軸に凹面部５０の隙間量Ｄｐを規定している。

図２３から知られるように、凹面部５０の隙間量Ｄｐがゼロを超えると、上記抵抗値が小さくなっている。すなわち、Ｄｐをゼロよりも大きくして絶縁充填材５の表面に凹面部５０を設けることで、側面電極３１（３２）と内部電極２１（２２）との電気的な接触箇所の耐久性、信頼性を向上できる。特に、Ｄｐがゼロを超えて約１μｍまでの領域では、Ｄｐがゼロを超えて大きくなるに伴って、側面電極と内部電極との接触箇所の耐久性が向上するという効果が顕著である。そして、Ｄｐ＝約１μｍのところで変曲点Ａを迎え、Ｄｐ＝約１μｍ以上の領域では、Ｄｐを大きくするにつれて、側面電極と内部電極との接触箇所の耐久性が累積的に高まるという効果が若干、薄れている。
なお、その他の構成及び作用効果については参考例１と同様である。

（参考例３）
本例は、参考例１の積層型圧電体素子１を基にして、各凹溝部に充填された絶縁充填材の外表面の一部に非凹面部が形成されている例である。この内容について、図２４〜図２９を用いて説明する。
本例では、図２４、図２５に示すごとく、凹溝部４１、４２に充填された絶縁充填材５の外表面の一部に、凹面部５０が形成されていない部分である非凹面部５１が設けられている。ここで、非凹面部５１とは、凹溝部４１、４２に充填された絶縁充填材５の外表面がセラミック積層体１０の側面１０１、１０２から外方に突出して形成されている部分（図２６〜図２８）、またはセラミック積層体１０の側面１０１、１０２に沿って形成されている部分（図２９）をいう。

例えば、図３０、図３１のような複雑な形状の場合、絶縁充填材５がセラミック積層体１０の側面１０１、１０２に対して内方に窪んでいる部分の面積Ｓと外方に突出している部分の面積Ｔとを比較し、Ｓ＞Ｔであれば凹面部、Ｓ≦Ｔであれば非凹面部と判断することができる。なお、内方に窪んでいる部分又は外方に突出している部分が複数ある場合には、各部分の面積の和により面積Ｓ又は面積Ｔを求める。例えば、図３０では、Ｓ＝ｓ１、Ｔ＝ｔ１＋ｔ２となる。また、図３１では、Ｓ＝ｓ２＋ｓ３、Ｔ＝ｔ３となる。

この非凹面部５１は、図２５に示すごとく、各第１凹溝部４１及び各第２凹溝部４２における全長をＡ、非凹面部５１が形成されている部分の長さをＢとした場合、（Ａ−Ｂ）／Ａが０．３以上となるように形成してある。非凹面部５１が複数形成されている場合には、その部分の長さの和をＢとする。例えば、図２５では、Ｂ＝ｂ１＋ｂ２となる。なお、上記の全長Ａは、形成する第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の個々の長さによって決まるものである。
また、本例では、セラミック積層体１０の形状が四角柱のものを用いた（図５参照）。
その他は、参考例１と同様の構成である。

この場合には、参考例１と同様に、絶縁充填材５の外表面に凹面部５０を設けたことにより、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から側面電極３１、３２が剥離等するおそれを抑制することができる。
また、上記の効果をより充分、かつ確実に得るためには、上記（Ａ−Ｂ）／Ａが０．６以上となるように凹面部５０を形成すればよい。
その他は、参考例１と同様の作用効果を有する。

（参考例４）
本例は、参考例１又は参考例２の積層型圧電体素子１をインジェクタ６の圧電アクチュエータとして用いた例である。
本例のインジェクタ６は、図３２に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ６は、同図に示すごとく、駆動部としての上記積層型圧電体素子１が収容される上部ハウジング６２と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部６４が形成される下部ハウジング６３を有している。

上部ハウジング６２は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴６２１内に、積層型圧電体素子１が挿通固定されている。縦穴６２１の側方には、高圧燃料通路６２２が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング６２上側部に突出する燃料導入管６２３内を経て外部のコモンレール（図略）に連通している。

上部ハウジング６２上側部には、また、ドレーン通路６２４に連通する燃料導出管６２５が突設し、燃料導出管６２５から流出する燃料は、燃料タンク（図略）へ戻される。ドレーン通路６２４は、縦穴６２１と駆動部（圧電体素子）１との間の隙間６０を経由し、さらに、この隙間６０から上下ハウジング６２、６３内を下方に延びる図示しない通路によって後述する三方弁６５１に連通している。

噴射ノズル部６４は、ピストンボデー６３１内を上下方向に摺動するノズルニードル６４１と、ノズルニードル６４１によって開閉されて燃料溜まり６４２から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する噴孔６４３を備えている。燃料溜まり６４２は、ノズルニードル６４１の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路６２２の下端部がここに開口している。ノズルニードル６４１は、燃料溜まり６４２から開弁方向の燃料圧を受けるとともに、上端面に面して設けた背圧室６４４から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室６４４の圧力が降下すると、ノズルニードル６４１がリフトして、噴孔６４３が開放され、燃料噴射がなされる。

背圧室６４４の圧力は三方弁６５１によって増減される。三方弁６５１は、背圧室６４４と高圧燃料通路６２２、またはドレーン通路６２４と選択的に連通させる構成である。ここでは、高圧燃料通路６２２またはドレーン通路６２４へ連通するポートを開閉するボール状の弁体を有している。この弁体は、上記駆動部１により、その下方に配設される大径ピストン６５２、油圧室６５３、小径ピストン６５４を介して、駆動される。

そして、本例においては、上記構成のインジェクタ６における駆動源として、参考例１で示した上記積層型圧電体素子１を用いている。この積層型圧電体素子１は、上記のごとく、内部電極２１、２２と側面電極３１、３２との間の絶縁構造の信頼性が高く、非常に耐久性に優れたものである。そのため、高温雰囲気下という過酷な状態で使用されるインジェクタ６においても、作動時のクラックの発生を抑制することができ、耐久性を向上させることができ、インジェクタ６全体の性能向上及び信頼性向上を図ることができる。
なお、その他の構成及び作用効果については、参考例１あるいは参考例２と同様である。

参考例１における、積層型圧電体素子の構造を示す説明図。 参考例１における、絶縁充填材の凹面部の周辺構造を示す説明図。 参考例１における、積層型圧電体素子の別構造を示す説明図。 参考例１における、セラミック積層体の積層順序を示す説明図。 参考例１における、四角柱形状のセラミック積層体を示す説明図。 参考例１における、八角柱形状のセラミック積層体を示す説明図。 参考例１における、第１凹溝部及び第２凹溝部を形成した状態を示す説明図。 参考例１における、第１凹溝部及び第２凹溝部に絶縁充填材を充填した状態を示す説明図。 参考例１における、積層型圧電体素子の積層方向に直交する断面を示す説明図。 参考例１における、絶縁充填材の熱膨張により側面電極に作用する応力を示す説明図。 参考例１における、比較例の絶縁充填材の熱膨張により側面電極に作用する応力を示す説明図。 参考例１における、その他の凹面部の形状を示す説明図。 参考例１における、その他の凹面部の形状を示す説明図。 参考例１における、その他の凹面部の形状を示す説明図。 参考例１における、その他の凹面部の形状を示す説明図。 参考例１における、その他の凹溝部の形状を示す説明図。 参考例１における、その他の凹溝部の形状を示す説明図。 参考例１における、その他の凹溝部の形状を示す説明図。 参考例１における、その他の凹溝部の形状を示す説明図。 参考例２における、冷熱サイクルによる信頼性試験実施後の窪み量Ｄｐと抵抗値との関係を示すグラフ。 参考例２における、溝深さＤと窪み量Ｄｐとの関係を示すグラフ。 実施例１における、絶縁充填材の凹面部の周辺構造を示す説明図。 実施例１における、冷熱サイクルによる信頼性試験実施後の窪み量Ｄｐと抵抗値との関係を示すグラフ。 参考例３における、セラミック積層体の構造を示す説明図。 参考例３における、セラミック積層体の側面の構造を示す説明図。 参考例３における、絶縁充填材の非凹面部を示す説明図。 参考例３における、絶縁充填材の非凹面部を示す説明図。 参考例３における、絶縁充填材の非凹面部を示す説明図。 参考例３における、絶縁充填材の非凹面部を示す説明図。 参考例３における、絶縁充填材の凹面部又は非凹面部の判断方法を示す説明図。 参考例３における、絶縁充填材の凹面部又は非凹面部の判断方法を示す説明図。 参考例４における、インジェクタの断面構造を示す説明図。

符号の説明

１ 積層型圧電体素子
１０ セラミック積層体
１０１、１０２ 側面（セラミック積層体の側面）
１１ 圧電層
２１ 第１内部電極（内部電極）
２２ 第２内部電極（内部電極）
３１ 第１側面電極（側面電極）
３２ 第２側面電極（側面電極）
４１ 第１凹溝部（凹溝部）
４２ 第２凹溝部（凹溝部）
４１０、４２０ 底部
５ 絶縁充填材
５０ 凹面部
５１ 非凹面部
５０５ 隙間
６ インジェクタ

Claims (9)

1. 圧電材料よりなる複数の圧電層と、導電性を有する複数の層状の内部電極とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に第１側面電極及び第２側面電極が設けられ、上記内部電極としては、上記第１側面電極に導通する第１内部電極と、上記第２側面電極に導通する第２内部電極とを交互に配置してなる積層型圧電体素子において、
   上記セラミック積層体における上記第１側面電極を設けた側面には、底部に上記第２内部電極の端部を露出させた凹溝である第１凹溝部が設けられ、一方、上記第２側面電極を設けた側面には、底部に上記第１内部電極の端部を露出させた凹溝である第２凹溝部が設けられており、
   上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部には、それぞれ上記第２内部電極の端部及び上記第１内部電極の端部を覆うように電気絶縁性を有する絶縁充填材が充填されており、
   上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部に充填された上記絶縁充填材の外表面には、上記セラミック積層体の側面から内方に窪む凹面部が形成されており、
   上記絶縁充填材の上記凹面部と、上記第１側面電極あるいは上記第２側面電極との間には、空隙を設けてあることを特徴とする積層型圧電体素子。
2. 請求項１において、上記凹面部は、積層型圧電体素子に許容される温度範囲内の最高温度下で、その窪み形状を維持するように形成されていることを特徴とする積層型圧電体素子。
3. 請求項１又は２において、上記圧電層の線膨張係数と、上記絶縁充填材の線膨張係数との差が、２０ｐｐｍ／℃以上３００ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする積層型圧電体素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記絶縁充填材は、シリコン又は、ポリイミド又は、エポキシ又は、ウレタンの少なくともいずれかを含むものであることを特徴とする積層型圧電体素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記第１側面電極及び上記第２側面電極は、Ｓｎ−Ａｇペーストよりなることを特徴とする積層型圧電体素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の幅は、５μｍ以上１５０μｍ以下であり、上記凹面部の窪み深さは、２μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする積層型圧電体素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の溝深さは、１０μｍ以上４００μｍ以下であることを特徴とする積層型圧電体素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部に充填された上記絶縁充填材の外表面には、上記凹面部が形成されていない非凹面部が存在しており、上記各第１凹溝部及び上記各第２凹溝部における、全長をＡ、上記非凹面部の部分の長さをＢとした場合、（Ａ−Ｂ）／Ａが０．３以上であることを特徴とする積層型圧電体素子。
9. 圧電アクチュエータの変位を利用して弁体を開閉させ、燃料の噴射制御を行うよう構成されたインジェクタにおいて、
   上記圧電アクチュエータは、請求項１〜８のいずれか１項に記載の積層型圧電体素子よりなることを特徴とするインジェクタ。

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